A superfluidez em líquidos e gases pode se manifestar como um momento de inércia reduzido (o análogo rotacional da massa) sob rotações lentas. Efeitos rotacionais não clássicos também podem ser considerados nas elusivas fases supersólidas da matéria, onde a superfluidez pode coexistir com uma estrutura de rede. Em um novo relatório agora publicado em Ciência , L. Tanzi e uma equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Óptica e do Departamento de Astronomia da Universidade de Florença, na Itália, mostrou como uma fase supersólida recentemente descoberta em gases quânticos dipolares apresentava um momento de inércia reduzido. A equipe estudou um modo peculiar de oscilação rotacional em um potencial harmônico para deduzir uma fração supersólida e fornecer evidências diretas da natureza supersólida da construção dipolar.

Superfluidos e supersolididade

Os superfluidos exibem suas propriedades mais espetaculares durante a rotação, onde o estado superfluido é descrito por uma função de onda macroscópica. Os físicos já haviam verificado efeitos rotacionais não clássicos para a maioria dos superfluidos conhecidos, incluindo matéria nuclear, condensados ​​gasosos de Bose-Einstein e gases degenerados de Fermi. O resultado está relacionado ao efeito Meissner observado em supercondutores. Na década de 1960, pesquisadores descobriram outro tipo de fase bosônica da matéria conhecido como supersólido, descrito por uma função de onda macroscópica. Em um supersólido, a superfluidez pode coexistir com uma arquitetura do tipo cristal. O físico sugeriu que o supersólido em rotação mostraria um momento de inércia intermediário a um superfluido e um sistema clássico. Este fenômeno é conhecido como inércia rotacional não clássica (NCRI). Essas observações sobre a supersolididade foram feitas principalmente com hélio sólido, onde os pesquisadores empregaram osciladores de torção (sistemas rotacionais) para detectar NCRI. Nesse trabalho, Tanzi et al. investigou um candidato a supersólido diferente - um condensado gasoso de Bose-Einstein (BEC) de átomos fortemente dipolares.

Os BECs são formados em uma fração acima do zero absoluto e apenas em átomos que agem como bósons, um dos dois tipos de partículas fundamentais. Quando os bósons são resfriados a temperaturas suficientemente baixas, uma fração substancial entra espontaneamente em um único estado quântico em um fenômeno conhecido como condensação de Bose-Einstein (BEC), e os experimentos mais famosos são aqueles envolvendo gases atômicos. O sistema quântico recentemente descoberto mostrou um regime modulado por densidade coexistindo com a coerência de fase, conforme necessário para supersolididade. Os pesquisadores testaram a natureza do superfluido usando modos de excitação não rotacionais relativos às equações hidrodinâmicas para superfluidos. De acordo com os experimentos anteriores com hélio, Tanzi et al. focado apenas na caracterização do NCRI (inércia rotacional não clássica) de sistemas, a fim de fornecer evidência direta de superfluidez sob rotação.

Os experimentos

Na física quântica, Ainda é impraticável obter sólidos dipolares grandes o suficiente para realizar uma geometria cilíndrica. Como resultado, os pesquisadores selecionaram uma técnica de rotação específica para ajustar a assimétrica, pequeno sistema no laboratório. Eles então estimularam o chamado modo tesoura do sistema; uma oscilação rotacional de pequeno ângulo do potencial harmônico que naturalmente mantém o sistema. A técnica foi empregada anteriormente para demonstrar a superfluidez em condensados ​​de Bose-Einstein comuns (BEC). Tanzi et al. investigou a mudança da frequência do modo tesoura ao longo da transição de BEC para a forma supersólida para comparar diretamente o supersólido com um sistema totalmente superfluido. Durante os experimentos, a equipe usou um BEC de átomos de disprósio (Dy) fortemente magnéticos em uma armadilha harmônica anisotrópica com frequências com os dipolos orientados na direção Z por meio de um campo magnético. A temperatura do sistema estava suficientemente baixa e os cientistas induziram a transição do BEC para o supersólido por meio do ajuste por meio de uma ressonância magnética de Feshbach e energias de interação de van der Waals. Os cientistas esperavam que a rede fosse composta de um aglomerado supersólido para levar o sistema a um regime de gotículas de cristal sem coerência entre as gotículas.

Em seguida, a equipe excitou o modo tesoura e calculou a frequência de oscilação para estar diretamente relacionada ao momento de inércia do superfluido. Eles então conectaram o momento de inércia a uma fração de superfluido definida especificamente para o sistema. Tanzi et al. observaram a analogia do modo tesoura com os osciladores de torção de hélio, uma vez que ambos os sistemas detectaram NCRI (inércia rotacional não clássica) por meio da frequência de oscilação. Os resultados experimentais resumiram as medições da tesoura nos regimes BEC e supersólido. A equipe imaginou as distribuições de densidade 2-D após uma expansão livre do sistema para representar as distribuições de momento efetivas. Os regimes BEC e supersólido mostraram oscilações de frequência única, conforme esperado para superfluidos de interação fraca. Para evitar perturbações causadas por outros modos coletivos no sistema, Tanzi et al. empregou duas técnicas de excitação diferentes para os regimes BEC e supersólido. Eles então obtiveram um resumo dos resultados para a frequência da tesoura e o momento de inércia relacionado e, em seguida, compararam os resultados com as previsões teóricas. A equipe notou uma clara redução da frequência quando o sistema entrou no regime supersólido de acordo com a teoria. Os resultados forneceram evidências adicionais de NCRI para o sólido dipolar. A equipe explicou os mecanismos mostrados neste trabalho usando previsões originais feitas para a condensação de Bose em sistemas de matéria condensada.

Panorama

Desta maneira, L. Tanzi e colegas estabeleceram a natureza do superfluido do supersólido dipolar, caracterizando sua inércia rotacional não clássica. O supersólido era diferente dos superfluidos padrão devido à fração de superfluido reduzida. A técnica detalhada neste trabalho permitirá novas investigações do fenômeno em estudos futuros. A equipe propõe a obtenção de sistemas maiores como um método adicional para estudar o comportamento dos supersólidos na geometria anular ou em uma configuração 2-D, enquanto também estuda a dinâmica de vórtices quantizados na fase supersólida.

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